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Comment naissent les étoiles

mardi 4 avril 2017, par Robert Paris

Du nouveau sur la naissance des étoiles

Une nouvelle compréhension de la naissance des étoiles

« Le satellite infrarouge Herschel n’est pas seul à avoir éclairé les processus en action dans les pouponnières stellaires. Le réseau Alma, tout juste installé sur le plateau chilien de Chajnantor, ou les améliorations des antennes du plateau de Bure dans les Alpes, ont également permis leur lot de révélations sur la naissance des étoiles – de toutes les étoiles : des naines brunes, sortes de soleils avortés, jusqu’aux astres les plus massifs, plus rares dans la galaxie, en passant par celles très courantes, comme notre soleil. Première surprise offerte par Herschel : le taux de formation stellaire rapporté au nombre d’étoiles d’une galaxie paraît constant, quelque soient la galaxie et sa morphologie. Avant que la protoétoile ne se transforme en étoile en allumant ses réactions de fusion de l’hydrogène, l’astre connaît de violents sursauts de luminosité (classe 2 et 3). C’est le stade T. Tauri, du nom de l’étoile de la constellation du Taureau où ce phénomène fut observé pour la première fois en 1852… En s’échauffant, une protoétoile de masse solaire devient convective. Un champ magnétique naît par effet dynamo. Mille fois plus intense que celui du Soleil aujourd’hui, il repousse le bord interne du disque, qui ne touche la protoétoile qu’aux pieds des lignes de champ. Arrivant à grande vitesse, la matière s’engouffre dans la protoétoile par ces ouvertures en émettant de puissants flashs de lumière. »

« Ciel et Espace », mars 2014

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  • Avec un diamètre de 3,5 m, Herschel est le plus grand télescope jamais lancé dans l’espace. Equipé notamment de ses deux caméras d’imagerie de pointe, PACS et SPIRE, pour la construction desquels le SAp a beaucoup contribué (conception des bolomètres - les éléments constituant le plan focal - de PACS, et conception des cryoréfrigérateurs équipant les deux instruments), Herschel offre aux astrophysiciens une moisson de nouvelles informations spatiales et spectrales2 sur les objets les plus froids de l’univers. Les caméras embarquées à bord d’Herschel ont permis notamment de cartographier de manière complète plusieurs complexes de nuages interstellaires au sein de la « Ceinture de Gould ».

    La première surprise est venue de l’observation d’un enchevêtrement de filaments dans chacun des nuages interstellaires étudiés. Avant le lancement d’Herschel en mai 2009, des observations dans l’infrarouge avaient déjà montré la présence de gigantesques réseaux de filaments de gaz dans ces nuages mais le rôle de ces filaments dans le processus de formation stellaire restait mystérieux. Avec Herschel, il a été démontré d’une part que les filaments interstellaires sont beaucoup plus répandus que ce que l’on pensait jusque là et d’autre part que la formation des étoiles a lieu principalement dans les plus denses d’entre eux. Un filament très dense imagé dans le complexe d’Aquila contient, par exemple, un amas d’environ 100 étoiles en formation (Bontemps, S., André, Ph., Könyves, V. et al. 2010, Astronomy & Astrophysics). La comparaison de ces résultats d’observation avec des modèles théoriques a mis les astronomes sur la piste d’un scénario « universel » de manière à expliquer la genèse des étoiles dans les galaxies.

    Avec les images inédites de réseaux de filaments interstellaires livrées par Herschel, ces réseaux de filaments apparaissent comme des éléments omniprésents et constitutifs du milieu interstellaire froid. Un enchevêtrement très riche de filaments est en effet observé dans tous les nuages, aussi bien dans ceux qui ne forment pas du tout d’étoiles comme le nuage de Polaris que dans ceux qui ont déjà formé un grand nombre d’étoiles comme les complexes d’Aquila et IC5146. Polaris est en particulier très filamentaire alors qu’il s’agit d’une région dans laquelle la formation des étoiles ne s’est pas encore véritablement amorcée. Cette observation fournit un premier indice : l’apparition des filaments dans le milieu interstellaire semblerait précéder la formation des étoiles.

    Grâce au pouvoir de résolution spécifique du télescope Herschel, les astrophysiciens ont pu pour la première fois mesurer précisément les dimensions des filaments interstellaires. 90 filaments dans les trois nuages IC5146, Aquila et Polaris ont ainsi été passés au crible par les chercheurs. Chaque filament peut s’étendre sur des dizaines d’années lumière dans l’espace. La surprise est venue de la largeur uniforme de tous les filaments observés : les chercheurs ont constaté qu’ils s’étalaient tous sur une bande de près de 0,3 années-lumière (Arzoumanian, D., Ph. André, Ph., Didelon, P. et al. 2011, Astronomy & Astrophysics). Considérée comme petite dans le milieu interstellaire, cette largeur correspond néanmoins à environ 20.000 fois la distance de la Terre au Soleil.

    Ce résultat surprenant sur la largeur des filaments interstellaires fournit un deuxième indice quant à leur origine. Le diamètre uniforme de 0,3 années-lumière des filaments se rapproche en effet d’une autre échelle caractéristique connue depuis le début des années 80 dans le milieu interstellaire : l’échelle en dessous de laquelle les mouvements désordonnés qui correspondent à ce que l’on appelle la « turbulence interstellaire » deviennent plus lents que la vitesse du son. A partir de ce constat et d’une comparaison des observations avec plusieurs modèles théoriques, les astronomes de l’équipe du « relevé de la ceinture de Gould » ont pu conclure que les filaments observés avec Herschel sont probablement le résultat direct de la « turbulence interstellaire ».

    Cette turbulence correspond à des mouvements de gaz désordonnés se propageant dans les nuages interstellaires. Elle est observée depuis les années 70 par les radioastronomes. Les chercheurs s’interrogent encore sur son origine ; elle ferait suite aux explosions d’étoiles massives en fin de vie - ou supernovae - qui injectent une quantité énorme d’énergie dans le milieu interstellaire.

    Les mouvements de gaz désordonnés qui en résultent ont lieu à des vitesses supersoniques3. A l’image du ‘bang’ d’un avion passant le mur du son, ils produiraient donc des chocs qui compriment la matière interstellaire, jusqu’à transformer celle-ci en des filaments plus denses que leur milieu environnant.

    Lorsqu’on observe ces nuages interstellaires à grande échelle, les vitesses des turbulences interstellaires sont élevées, supersoniques. En revanche, si on cible les observations sur de petites régions interstellaires, les vitesses sont plus faibles, jusqu’à devenir inférieures au mur du son. La largeur observée des filaments correspond justement à l’échelle intermédiaire où les mouvements turbulents sont proches de la vitesse du son. Certains modèles théoriques prédisent d’ailleurs que l’épaisseur caractéristique des structures - telles que des filaments - comprimées par chocs dans les nuages interstellaires doit correspondre à l’échelle « sonique » de la turbulence. Couplé à l’observation d’une profusion de filaments dans des nuages ou cirrus très ténus comme Polaris où les forces de gravité ne peuvent pas être invoquées pour former la texture filamentaire, il s’agit là d’une indication très forte quant à la connexion entre la turbulence interstellaire et l’origine des filaments vus par Herschel.

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